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(多图) DSP的30年

STEVET ARANOVICH?? EDN高级技术编辑?? 2012年11月29日 ?? 收藏1
要点

1. DSP设计人员寻求优化TI所称的“三P价值”,即:性能、价格与功耗。

2. ADI设计人员了解其DSP所面向应用的功率包络。

3. Microchip对数字信号处理采用了一种替代方案:数字信号控制器

4. 未来,可编程ASSP器件为TI的DaVinci这类器件提供了一种替代品,将面向某些市场中的FPGA。

如德州仪器(TI )公司首席研究员GeneFrantz所言,该公司DSP先驱的顿悟始于上世纪70年代末,恰好在TI公司创造性的Speak & Spell学习玩具放上零售货架后不久。Frantz回忆那时有个顾客问:“如果你们可以用DSP给玩具加上语音合成,还能用它做别的什么吗?”

当今年TI公司庆祝在DSP市场的30周年时,这个长久以来的问题已经过了无数次的解答。如果没有DSP以及它在音频、图像和多媒体处理方面的推动作用,就不会有“信息娱乐”内容,没有智能手机或平板电脑,没有互联网,也没有APP的生态系统。

TI的“玩具”技术不仅促使公司进入了一个新的业务领域,而且为TI、其竞争对手以及工具供应商的开发建立了舞台,推动DSP技术进入了各种应用与市场。与此同时,传统DSP器件遭遇了各种替代性信号处理平台的竞争,包括有DSP特性的CPU、用微控制器与DSP核心配对使用的数字信号控制器、用于为数字信号处理设计定制的数据路径,甚至创建定制可编程处理器的FPGA,以及最新出现的有大量并行处理的图形处理器,它可以解决数据并行问题。

DSP技术的起源要比Speak & Spell玩具早几年。在上世纪70年代初期,科学家们开始采用市售的现成TTL分立逻辑芯片,实现专门的信号处理“引擎”。早期系统相对速度缓慢,占用空间大。TRW公司在1973年发布了第一款实用的并行乘法器,并在两年后增加了位片(bit-slice)ALU。但仅乘法器芯片就要数百美元,唯一能买得起这种产品的客户只有研究实验室、医疗扫描设备制造商及军队。

1978年,American Micro- systems公司推出了第一款专门为DSP设计的单芯片IC:12位的S2811。AMI发明了一种真正创新性电路设计,但其芯片实现时采用了一种激进的“V槽”(V groove)MOS技术,而这种技术从未用于量产的商业产品。

第二年,英特尔公司推出了Intel2920 16位“模拟信号处理器”,起这个名称是因为英特尔要设计一种用于直接替换模拟电路的芯片,包括了板上的A/D和D/A转换器。2920以数字形式处理模拟信号,但它缺少一个并行乘法器;此外,它600ns的周期速度太慢,无法在音频段做出有用的工作,而音频段是第一个大批量DSP芯片的市场。

第一只“真正”单芯片的DSP出现在上世纪80年代初,由贝尔实验室和NEC推出, 市场分析公司Forward Concepts将其定义为并行MAC(乘法器-加法器)电路。贝尔实验室的芯片叫DSP-1,是一种用于AT&T;与Western Electric设计中的容性器件。NEC的μPD7720是第一种真正量产、在商业市场上发售的单芯片DSP。尽管受制于粗糙的开发工具,NEC的芯片仍然可提供充足的速度,它用一个双周期MAC实现122ns的周期时间,能够在音频段做一些有用的工作。

80年代末,理光公司的HiromitsuYagi为传统的NMOS工艺重新设计了原AMI的S2811芯片。Yagi的工作结果是理光RD28211和AMIS28211。

TI加入游戏

在80年代,TI公司的Ed Caudel设计了后来成为该公司第一款DSP的初始架构。同年,Surendar Magar受雇围绕DSP算法来优化架构。1982年2月,TI在传统的“国际固态电路研讨会”上以一篇《具有数字信号处理能力的一种微计算机》(参考文献1)的论文将设计结果公诸于世。1982年4月,Caudel在巴黎召开的“音频、语音与信号处理国际研讨会”上宣布了最终产品—TMS32010。

推出Speak & Spell后(图1),TI公司继续为各种行业开发DSP器件,但业务的关键以及对市场增长起决定性作用的,还是围绕处理器所出现的生态系统。业界最早的DSP工程师之一Frantz说:“TI成为第一家拥有一款复杂的信号处理芯片的公司,也理解到器件本身并非产品,产品是器件加支持加开发环境加一条器件热线。我们为客户创造了一个产品,使他们可以将其用在自己的产品中。”

DSP的30年

在早期年代,TI的DSP热线是为客户提供帮助的一个重要来源,尤其是很多情况下,回答电话问题的人正是被咨询器件的架构师。Frantz说:“TI有一些非常大的客户,我们接到这些大客户从不同地区打来的电话,有六到七个不同区号。我们发现自己比他们还清楚他们公司在做什么东西。我们尽自己所能帮助他们发展。”

也有很多来自小型新兴公司的电话,咨询着相同的问题,而TI早在业内成员顺应趋势做出选择以前, 就看到了正在形成的市场。Frantz指出,这以后几年间,公司发明了下一代信号处理器,做出了客户想要获得的“疯狂”东西。

在此过程中,TI一直牢记“三P价值”,即:性能(performance)、价格(pr ice)以及功耗(power di s -sipation)。Frantz说:“大多数人并不明白功耗是多么重要,但我们自60年代中期就一直致力于小功率器件技术,当时已经发明了计算器。”

初期,TI开始了它的第三方计划,鼓励有DSP专业能力的小型公司去“填充”TI无法照顾到的“空白”。Frantz将计划描述为一个“价值网”,所有参与者都可以通过它获得收益,同时扩展了现有的客户支持网络。

Fernando Mujica是TI系统架构实验室主任,是分析嵌入式处理方面的专家,他从Frantz这些DSP先锋手中接过了接力棒。Mujica说:“过去30年来,我们生活中的方方面面几乎都受到了DSP的影响。现在,我们正看到DSP开始做嵌入分析工作,这是需要最高程度可编程性的一个不断增长和发展的领域。现在,信号调整与压缩技术都实现为硬编码的加速器,并与DSP整合在现代的嵌入式处理器中。”

今天的DSP和其它嵌入式处理器承担了以往需要人工干预的工作。相关例子是拓展了汽车安全功能的范围,包括偏离车道警告和主动巡航控制等,这些已出现在高档汽车中。这些系统已超出了便利功能范畴,它们会向驾驶者提出警告,乃至在紧急情况下做刹车或转向操作。

Mujica表示:“在不久的将来,嵌入分析解决方案将使自动化驾驶成为一种现实(图2)。机器人是另外一个即将出现革命性变化的领域,因为嵌入式处理器的性能在增长,它们已能完成复杂的分析任务。”

DSP的30年

如要了解DSP如何整合到很多TI提供的方案中,可以看一下该公司基于KeyStone的高性能多核处理器、单核处理器,以及OMAP处理器(参考文献2、3和4)。

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DSP? DSC? FPGA? 可编程ASSP?

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